齒輪測量技術(shù)新進展
目前常用的齒輪精度測量方法有兩種，一種是齒輪嚙合試驗法，用以判斷一對齒輪副的回轉(zhuǎn)傳動性能；另一種是幾何解析測量法，它將被測量齒輪實際齒面形狀和理論值進行比較測量。齒輪大多為漸開線齒輪，其測量原理和非漸開線齒輪的測量原理是不同的。
漸開線齒輪的測量 漸開線齒輪的測量原理
測量漸開線齒輪的齒面形狀時，測頭置于被測齒輪基圓的切線上，被測齒輪的回轉(zhuǎn)和測頭的直線運動，按照展成關(guān)系進行控制。在以往機械式齒輪測量儀中采用了基圓盤；如今儀器的軸系導(dǎo)軌上都裝有圓編碼器或長編碼器(長刻度尺)，由計算機按展成關(guān)系實現(xiàn)高速、高精度的NC控制(見圖1)。
圖1 漸開線齒輪的測量原理
近年來，因生產(chǎn)工程集團化，ISO9000得以普及，圖2所示的測量值可溯源體系的有關(guān)問題得到重視。目前，ISO正對齒輪測量儀器的精度評定方法制訂有關(guān)標準，德、美兩國已經(jīng)確立了溯源體系頂端的國家機構(gòu)。在日本，企業(yè)是用基于ISO標準建立起的JIS標準來確立齒輪精度的等級，由于沒有建立如圖2所示的可溯源體系，因而測量誤差值的保證體系還沒有建立起來。所以，日本齒輪工業(yè)協(xié)會組建了一個項目組，對“超精密齒輪精度檢驗評定方法的標準化”進行了研究，開發(fā)了高精度齒輪測量儀器，它適用于檢驗一般齒輪測量儀器用樣板。
圖2 精度溯源體系
(1)上下頂尖采用氣浮軸承，提高了主軸回轉(zhuǎn)精度；
(2)主軸氣浮軸承中內(nèi)裝有高精度圓光柵，提高了輸出性能；
(3)齒形和齒向的測量滑座都采用了氣浮導(dǎo)軌，提高了測量運動性能；
(4)采用激光測長儀來檢查誤差，測量放大倍數(shù)可達10000倍。
該儀器的驅(qū)動系統(tǒng)，主軸回轉(zhuǎn)運動采用步進電機驅(qū)動，測頭的直線運動也采用步進電機驅(qū)動，二者用NC控制來實現(xiàn)漸開線或齒向的展成運動，以實現(xiàn)測量。齒距誤差按齒距等分、與齒面接觸的測頭的位移變化量，通過激光測長系統(tǒng)進行檢測。位移檢測元件安裝在平行簧片上，而測座上裝有反射鏡，激光束照射其上進行齒面精度的測量(見圖3)。
圖3 利用激光測量齒面
非漸開線齒輪的測量
在所討論的漸開線齒輪齒面的檢測中，其檢測儀器主軸的回轉(zhuǎn)和測頭的直線運動均采用CNC控制以實現(xiàn)同步，而非漸開線齒形的齒輪，特別是錐齒輪等，其齒面形狀是三元函數(shù)的，測量時，必須將實際齒面的坐標位置和預(yù)先計算出來的理論齒面三維坐標值進行比較測量。準雙曲面齒輪齒面的測量以及用測量的結(jié)果來評定準雙曲面齒輪的性能就是一典型事例。
準雙曲面齒輪齒面的測量
準雙曲面齒輪的齒面形狀是復(fù)雜的三元形狀，它由準雙曲面齒輪制造商提供的參數(shù)而確定、用計算機計算得到。通常情況下，用計算得到的切齒機的調(diào)整參數(shù)作為切齒齒面三維坐標的測量基準，在三維坐標機上按圖4左所示的格子點的位置上進行測量。
在大阪精機生產(chǎn)的準雙曲面齒輪測量儀(HYB-35)上測量大齒輪時，和其它測量儀器一樣，將依據(jù)機床的安裝調(diào)整參數(shù)而建立的幾何齒面作為基準值；而對與大齒輪相嚙合的小齒輪，則以和大齒輪齒面共軛的齒面作為基準。這樣就可能通過測量來證實齒輪副是否處于理想嚙合狀態(tài)。在同一臺儀器上，用三維測量儀測量不同的離散點(測量點)，就能如測量漸開線齒輪一樣，從齒輪的一個端面到另一個端面，沿不同的測量軌跡測量不同的齒形和齒向(圖4右)。這樣就可測量到齒面上的凹凸、研磨留下的臺階突跳及齒輪端部的飛邊毛刺等。如圖5所示，對齒形和齒向進行測量，就可以采用與漸開線齒輪相同的方法來對準雙曲面齒輪的質(zhì)量實施管理。
圖4 準雙曲面齒輪測量方法的比較
圖5 HyB-35齒面測量圖案
作為齒輪性能分析的實例，基于上述采用準雙曲面齒輪測量儀的齒面測量結(jié)果進行嚙合模擬仿真的相關(guān)技術(shù)介紹如下。
在該仿真中，基于準雙曲面齒輪副的齒面測量數(shù)據(jù)，是相對于大齒輪理論齒面的誤差和相對于小齒輪齒面的共軛齒面的誤差二者合成的結(jié)果，是求出的齒輪副總的齒面誤差——稱其為相對齒面誤差。然后再求出嚙合瞬間接觸點的軌跡。在嚙合區(qū)的一個齒距內(nèi)，按照各個接觸點周圍5μm嚙合間隙范圍來預(yù)測齒面的接觸形狀。進而求出基于相對誤差的回轉(zhuǎn)傳動誤差(運動誤差)。利用富里哀變換，可求得傳動誤差的1～6次嚙合諧波分量。
圖6為仿真結(jié)果。利用該技術(shù)就有可能用實測值來進行仿真，而以往僅依據(jù)理論齒面數(shù)據(jù)是無法做到的。
圖6 準雙曲面齒輪的性能預(yù)測
單面嚙合齒形測量法
德國FRENCO公司的齒輪嚙合掃描測量法，如圖7所示。通常，中間為被測齒輪，兩側(cè)配置測量齒輪(齒形測量齒輪和齒向測量齒輪)進行單面嚙合測量。測量齒輪的齒面經(jīng)特殊處理，使它在限定范圍內(nèi)進行嚙合，從其嚙合誤差數(shù)據(jù)中得到圖8所示的齒面誤差拓樸圖。其測量齒輪的制作需要極高的制造技術(shù)。
圖7 齒輪嚙合掃描測量
圖8 齒輪嚙合掃描測量得到的齒面誤差拓樸圖
AMTEC公司發(fā)表了采用激光全息技術(shù)進行齒輪非接觸測量的方法。在該裝置上采用了圖9所示的CONO光學(xué)傳感器測頭。齒輪回轉(zhuǎn)時，根據(jù)測頭位置的變化，可以測出齒輪的截面形狀。圖10表示采用該方法和現(xiàn)有的觸針式測量方法，它們的測量結(jié)果是相一致的。非接觸測量既不會劃傷齒面，又不會因測力而使齒面產(chǎn)生彎曲變形。
圖9 CONO干涉測頭
圖10 齒輪測量比較
圖11是大阪精機公司開發(fā)的、利用激光全息法對齒輪全齒面進行測量的裝置構(gòu)成圖。圖12為齒面形狀測量結(jié)果。該方法能夠一次測出全齒面的形狀誤差，但是全齒面的反射光會受到其它齒的干涉，而感光元件必須要能感受到反射光才行。因而它不能測量大螺角齒輪。
圖11 激光全息齒面測量的結(jié)構(gòu)圖
圖12 齒面測量實例
圖13為在該儀器上測量大阪精機公司制造的齒輪漸開線樣板的結(jié)果。所用測針的頂端曲率半徑為2μm，因而可以測量齒面的粗糙度。圖14為松下電器產(chǎn)業(yè)開發(fā)的采用原子力測頭的超精密三維測量儀。由于測頭按直線方向配置，故齒輪測量受到一定限制，但在測量限定齒數(shù)的齒輪樣板時，其測量精度可達到納米級。
圖13 漸開線樣板的測量
圖14 超精密三維測量機
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